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      再生水廠MBR 工藝的膜壽命評(píng)價(jià)

      2014-03-20 02:19:34王曉爽高金華甘一萍
      凈水技術(shù) 2014年5期
      關(guān)鍵詞:產(chǎn)水量產(chǎn)水水廠

      王曉爽,高金華,艾 冰,付 強(qiáng),常 江,甘一萍

      (北京城市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司,北京 100124)

      膜生物反應(yīng)器(MBR)是將膜分離技術(shù)應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域而產(chǎn)生的污水處理和再生水回用工藝。由于該工藝出水品質(zhì)高、所需占地面積小[1-3]等特點(diǎn),從20 世紀(jì)90 年代以來(lái)得到了廣泛應(yīng)用。但它始終被認(rèn)為是一種高成本的工藝,主要是因?yàn)槟さ某跗诮ㄔO(shè)投資費(fèi)用高、后續(xù)膜更換費(fèi)用高,以及相對(duì)傳統(tǒng)活性污泥法需要更高的運(yùn)行能耗[4]。研究表明膜的更換周期(即膜壽命)是影響MBR 項(xiàng)目投資效益的最關(guān)鍵因素[4]。

      目前業(yè)內(nèi)對(duì)于膜壽命的定義仍未統(tǒng)一。在《膜分離技術(shù)術(shù)語(yǔ)》(GB/T 20103—2006)[5]中規(guī)定,膜壽命是在正常的使用條件下,膜或膜元件維持預(yù)定性能的時(shí)間。《中空纖維膜生物反應(yīng)器組器》(HJ 2528—2012)[6]中規(guī)定,在設(shè)計(jì)運(yùn)行條件下,膜元件使用壽命不低于3 年。《一體式膜生物反應(yīng)器污水處理應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(CECS152:2003)[7]中提出,當(dāng)膜的運(yùn)行時(shí)間達(dá)到規(guī)定的使用壽命或在使用中造成損壞,化學(xué)清洗不能恢復(fù)其功能時(shí),應(yīng)對(duì)膜進(jìn)行更換。各膜生產(chǎn)商對(duì)膜壽命的判斷通常以膜系統(tǒng)的產(chǎn)水量或產(chǎn)水水質(zhì)不能滿足用戶要求為準(zhǔn)。而目前國(guó)內(nèi)在該方面的研究結(jié)論也較為鮮見(jiàn)。

      本文通過(guò)研究北京市某再生水廠已運(yùn)行5 年的MBR 工藝膜系統(tǒng),從不同膜壽命概念出發(fā),利用多種方法對(duì)該廠膜壽命進(jìn)行評(píng)價(jià),為MBR 膜產(chǎn)品使用壽命的判定提供方法借鑒。

      1 某再生水廠MBR 工藝介紹

      1.1 再生水廠工程概況

      北京市某再生水廠的MBR 污水處理系統(tǒng)于2008 年4 月建成投運(yùn),處理規(guī)模為6 ×104m3/d,設(shè)計(jì)及實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)、出水水質(zhì)如表1 表示。該系統(tǒng)的生物處理部分為UCT 工藝,由厭氧段、缺氧段和好氧段組成。膜處理部分分為8 條膜池,安裝Memcor B30R 膜組件共計(jì)4 864 個(gè),總膜面積為182 886.4 m2,系PVDF 中空纖維膜。運(yùn)行中主要采用維護(hù)性清洗(MC)和化學(xué)在線清洗(CIP)對(duì)膜進(jìn)行維護(hù)。MC 清洗每周一次,采用500 ppm NaClO溶液對(duì)膜進(jìn)行反洗。CIP 清洗分為CIP 氯洗和CIP酸洗。CIP 氯洗視跨膜壓差而定,一般每3 ~6 個(gè)月一次,采用1 500 ppm NaClO 溶液在膜系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)和浸泡2 ~3 h。CIP 酸洗每6 個(gè)月一次,采用2%檸檬酸循環(huán)和浸泡。膜系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表2 表示。

      表1 進(jìn)、出水水質(zhì)Tab.1 Water Characteristics of Influent and Effluent

      表2 MBR 工藝膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Design Parameters of MBR System

      1.2 膜系統(tǒng)運(yùn)行情況

      截至2013 年5 月,該MBR 系統(tǒng)已運(yùn)行5 年,期間未對(duì)膜組件進(jìn)行更換。系統(tǒng)運(yùn)行3 年后,產(chǎn)水量出現(xiàn)較為明顯的衰減,跨膜壓差在單個(gè)CIP 清洗周期內(nèi)增長(zhǎng)迅速,運(yùn)行中需要縮短清洗周期以維持產(chǎn)水量。

      1.2.1 產(chǎn)水量及通量

      圖1 為該膜系統(tǒng)產(chǎn)水量、CIP 清洗周期和平均通量的變化。2008 年5 月~2011 年12 月,該MBR系統(tǒng)能夠保持5.3 ×104m3/d 左右的日均產(chǎn)水能力,平均膜通量為13.8 LMH。2013 年上半年,系統(tǒng)日均產(chǎn)水量下降至3.4 ×104m3/d,平均膜通量8.9 LMH,較設(shè)計(jì)值衰減了43%。

      圖1 MBR 膜系統(tǒng)運(yùn)行情況Fig.1 Operation Conditions of MBR System

      1.2.2 產(chǎn)水水質(zhì)

      由表1 中MBR 系統(tǒng)出水水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)可知,雖然進(jìn)水污染物負(fù)荷有逐年增高的趨勢(shì),但MBR 工藝仍然保證了常規(guī)指標(biāo)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。圖2 顯示了膜產(chǎn)水的SS、濁度及糞大腸菌群指標(biāo),這些指標(biāo)體現(xiàn)著膜本身的截留分離能力。出水的SS 和濁度始終比較穩(wěn)定,分別小于5 mg/L 和2 NTU。糞大腸菌群自2012 年起有逐漸升高的趨勢(shì),但基本小于500 個(gè)/L,能夠滿足出水水質(zhì)要求。

      圖2 MBR 膜產(chǎn)水水質(zhì)Fig.2 Water Quality of Membrane Water Production

      2 某再生水廠MBR 工藝膜壽命評(píng)價(jià)方法的研究

      2.1 以產(chǎn)水能力和水質(zhì)判斷膜壽命

      膜廠商多以膜系統(tǒng)的產(chǎn)水量和產(chǎn)水水質(zhì)不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求作為判斷膜壽命的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于該再生水廠而言,僅在2008 年8 月達(dá)到了設(shè)計(jì)日處理量6 ×104m3/d 的要求,隨后因進(jìn)水水量不足未達(dá)產(chǎn),直至2009 年9 月恢復(fù)到日處理量5 ×104m3/d 的水平,產(chǎn)水水質(zhì)始終穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。若依據(jù)上述膜壽命概念,得出的膜壽命結(jié)論是不合理的。

      2.2 透水率衰減預(yù)測(cè)膜壽命

      Fenu 等[8]認(rèn)為,MBR 水廠的中空纖維膜壽命可以通過(guò)透水率的長(zhǎng)期變化來(lái)估算。本文將透水率的衰減研究應(yīng)用于再生水廠膜壽命評(píng)估,具體方法如下。

      繪制再生水廠膜壽命預(yù)測(cè)圖(如圖3),該圖分別列出了膜系統(tǒng)中的兩座膜池在運(yùn)行5 年期間歷次化學(xué)在線清洗前后的透水率數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)已校正到最不利水溫(15 ℃)。圖中最上方的曲線為化學(xué)在線清洗后透水率可恢復(fù)的最高值的線性擬合,利用該曲線可追蹤膜的不可恢復(fù)性污染。兩座膜池內(nèi)膜的不可恢復(fù)性污染形成速度分別為0. 056 和0.093 LMH/bar·d。最下方的曲線為膜在嚴(yán)重污堵的情況下在最高操作壓力(50 kPa)時(shí)的透水率,代表了透水率所能達(dá)到的最低值。由于已達(dá)到最高操作壓力,該曲線以下膜系統(tǒng)無(wú)法再透過(guò)更多的水量。

      圖3 膜壽命預(yù)測(cè)圖Fig.3 Prediction Map of Membrane Life Span

      隨著化學(xué)清洗效率越來(lái)越低,上方曲線與下方曲線的間距逐漸縮小,并最終相交于一點(diǎn)。在此點(diǎn)處,無(wú)法通過(guò)提高操作壓力得到更大的通量,也不能通過(guò)化學(xué)清洗使透水率進(jìn)一步恢復(fù)。因此,此交點(diǎn)可視為實(shí)際意義上的膜壽命終點(diǎn)。由圖3 可知兩座膜池的膜壽命終點(diǎn)分別為運(yùn)行約2 500 與2 100 d,即5.8 ~6.8 年。

      2.3 累積氯接觸值法

      膜供應(yīng)商通常會(huì)給出膜的最大累積氯接觸值,用于衡量在膜使用期限內(nèi)膜能夠承受的累積氯接觸量。Memcor 公司就B30R 膜組件給出的最大累積氯接觸值為1 000 000 ppm·h。在運(yùn)行5 年后,該再生水廠的MBR 膜系統(tǒng)的累積氯接觸值達(dá)到250 000 ~330 000 ppm·h。若按照最大清洗頻次,即每膜池1 個(gè)月進(jìn)行兩次CIP 氯洗,還能夠運(yùn)行3 ~3.5 年。按此方法得出的膜壽命應(yīng)為8 ~8. 5 年。而實(shí)際上,在達(dá)到該壽命年限前,該MBR 膜系統(tǒng)就因不可恢復(fù)性膜污染導(dǎo)致的透水率衰減而提前結(jié)束使用價(jià)值了。因此,累積氯接觸值法用于MBR 膜壽命評(píng)估并不理想。

      2.4 膜性能檢測(cè)法

      膜性能檢測(cè)是對(duì)膜所處狀態(tài)進(jìn)行量化的手段,能夠最直接表征膜的優(yōu)劣。膜性能檢測(cè)法是通過(guò)膜性能指標(biāo)的檢測(cè),反映出膜在使用過(guò)程中性能的劣化情況,進(jìn)而根據(jù)膜性能判斷其是否能夠繼續(xù)使用。

      采用0、2.5、5 年為3 個(gè)時(shí)間點(diǎn),在2 號(hào)、4 號(hào)、6號(hào)、8 號(hào)膜池做化學(xué)在線清洗后,從每池中各提取一支膜組件作為檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行膜性能指標(biāo)檢測(cè)。檢測(cè)項(xiàng)目與檢測(cè)目的如表3 所示。

      表3 膜性能檢測(cè)項(xiàng)目、檢測(cè)目的與檢測(cè)裝置Tab.3 Test Items,Testing Purposes and Testing Facility of Membrane Performance

      2.4.1 膜表面形態(tài)

      將中空纖維膜絲內(nèi)表面、外表面、斷面制成樣品,用掃描電子顯微鏡成像觀測(cè),成像照片如圖4 所示。其中,外表面與內(nèi)表面成像放大5 000 倍,斷面成像放大350 ~600 倍不等。

      (1)新膜外表面平整光滑,可觀察到細(xì)小均勻的膜孔,內(nèi)表面可觀察到清晰的海綿狀結(jié)構(gòu)。由斷面結(jié)構(gòu)可看出膜結(jié)構(gòu)是起過(guò)濾作用的表皮層以及起支撐作用的支撐層構(gòu)成,支撐層與表皮層相接處有分布均勻但大小并不一致的指狀水通道。

      (2)使用2.5 年后的膜,外表面已覆蓋有污染層,局部仍可見(jiàn)細(xì)小膜孔,內(nèi)表面存在少量污染物。

      (3)使用5 年后的膜,外表面未見(jiàn)均勻分布的孔徑,污染層較厚。表皮層磨損嚴(yán)重,暴露出支撐層的大孔(孔徑大于10 μm),過(guò)濾精度已不能保證。斷面支撐層膜孔狀態(tài)較好,未見(jiàn)明顯污染物沉積。

      圖4 膜表面電鏡檢測(cè)照片F(xiàn)ig.4 SEM Analysis of Membrane Surface

      2.4.2 膜組件純水通量

      將新膜組件與使用5 年的膜組件用純水通量檢測(cè)裝置進(jìn)行通量檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果如圖5 所示。使用5 年的膜組件透水性能衰減嚴(yán)重,在20 與50 kPa 的跨膜壓差下,純水通量分別為61.6 和92.6 LMH,較新膜組件衰減46.0%和30.7%。

      圖5 膜組件純水通量曲線Fig.5 Pure Water Flux Curve of Membrane Module

      2.4.3 機(jī)械強(qiáng)度

      拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示??估瓘?qiáng)度是基于膜絲拉斷時(shí)所受的最大拉伸力的計(jì)算值,反映膜材料的斷裂抗力,其值在2.5 年時(shí)為1.94 MPa,在5 年時(shí)為1.45 MPa,分別下降到初始值(2.20 MPa)的88%和66%。伸長(zhǎng)率是膜絲斷裂時(shí)的長(zhǎng)度與拉伸前長(zhǎng)度的百分比,體現(xiàn)膜絲抵抗變形的能力,其值在使用5 年后下降了10%。

      圖6 膜的材料力學(xué)性能衰減曲線Fig.6 Decay Curve of Membrane Material Mechanical Properties

      2.4.4 膜性能檢測(cè)結(jié)論

      (1)膜表面由于污染物沉積、水流擾動(dòng)和雜質(zhì)摩擦的作用發(fā)生膜孔污染和表面磨損。膜的外表面磨損嚴(yán)重,局部表皮層已磨穿,暴露出支撐層,過(guò)濾精度已無(wú)法保證,但出水水質(zhì)仍能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

      (2)使用5 年后,膜組件的純水通量較新膜組件衰減30.7% ~46.0%,直接導(dǎo)致膜系統(tǒng)產(chǎn)水量無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。

      (3)膜材料機(jī)械性能下降。膜絲抗拉強(qiáng)度下降到初始值的66%,若膜系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行斷絲速度會(huì)大幅增加,運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較大。

      由于MBR 膜性能并沒(méi)有具體的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其在應(yīng)用中的限值,此外膜性能檢測(cè)還受到樣品檢測(cè)量和取樣代表性的影響,因此用該方法來(lái)評(píng)估膜壽命目前僅能作為一種輔助手段。在本實(shí)例中,基于膜透水性能和機(jī)械性能的大幅衰減,以及表面磨損導(dǎo)致過(guò)濾精度下降,已存在較大的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),判定該再生水廠MBR 系統(tǒng)的膜壽命已到期,應(yīng)進(jìn)行膜組件的更換。

      3 結(jié)果與討論

      本文從不同的膜壽命概念,用4 種方法對(duì)MBR再生水廠的膜壽命進(jìn)行了評(píng)價(jià),并對(duì)各方法有以下結(jié)論。

      (1)以系統(tǒng)的產(chǎn)水能力和產(chǎn)水水質(zhì)來(lái)判斷膜壽命不具有通用性。對(duì)于某些設(shè)計(jì)能力不足或上游來(lái)水不穩(wěn)定的膜系統(tǒng),該方法就不適用。此外,對(duì)于進(jìn)水超標(biāo)、突發(fā)異常膜污染等運(yùn)行事故,產(chǎn)水水量和水質(zhì)短時(shí)無(wú)法達(dá)到要求,也不能就此得出膜壽命到期的結(jié)論。

      (2)透水率衰減法對(duì)預(yù)測(cè)膜壽命具有指導(dǎo)意義。對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的膜系統(tǒng),隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,膜的不可恢復(fù)性污染逐漸積累,最直接的體現(xiàn)就是透水率衰減。利用透水率衰減曲線來(lái)反映膜的不可恢復(fù)性污染和膜有效過(guò)濾面積的縮小是可行的。

      (3)根據(jù)累積氯接觸值法能夠得出一個(gè)膜壽命的期待值,但該值通常遠(yuǎn)超出膜的實(shí)際使用年限,因此用于預(yù)測(cè)膜壽命并不理想。隨著累積氯接觸值的增大,膜絲與膜組件框架之間的結(jié)合逐漸減弱,膜絲容易脫出膜組件框架造成斷絲,膜絲的機(jī)械性能也會(huì)衰減[10]。但在達(dá)到最大累積氯接觸值前,膜就因?yàn)椴豢苫謴?fù)性污染等原因失去了使用價(jià)值。

      (4)膜性能檢測(cè)法可以作為判斷膜壽命的一種方法。膜性能檢測(cè)能夠定量地反映出膜絲各方面的性能變化。對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行的膜進(jìn)行周期性的跟蹤檢測(cè),能夠幫助運(yùn)行人員對(duì)膜絲狀態(tài)有更直觀的了解,也有助于規(guī)避運(yùn)行中的潛在風(fēng)險(xiǎn)。但由于業(yè)內(nèi)尚缺少相關(guān)膜性能指標(biāo)限值的標(biāo)準(zhǔn),以及受樣品檢測(cè)量和取樣代表性的限制,此方法僅推薦作為判斷膜壽命的輔助手段。

      [1]李志東,李娜,張洪林. 膜生物反應(yīng)器(MBR)處理廢水的研究進(jìn)展[J].凈水技術(shù),2007,26(1):18-22.

      [2]陳俊平,楊昌柱,葛守飛,等. 膜生物反應(yīng)器在污水處理過(guò)程中的膜污染控制[J].凈水技術(shù),2005,24(3):38-44.

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      [5]GB/T 20103—2006,膜分離技術(shù)術(shù)語(yǔ)[S].

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